Az Arago-folt

17204

A fény természetéről már több évszázada folyt a vita, amikor 1801-ben Young elvégezte híres kísérletét. Azt gondolhatnánk, ez egycsapásra eldöntötte, hogy a fény hullámtermészetű, de Newton hatalmas tekintélye miatt a részecsketermészet hívei is még ktartotta, köztük Poisson. 1818-ban a Francia Tudományos Akadémia pályázatot írt ki a fény természetének bemutatására, ahol Poisson a bírálók között volt. Fresnel (ejtsd: frenel), aki később az optika nagyájújává lett, ekkor még fiatal mérnökként benyújtotta újszerű hullámelméletét. Poisson - a részecsketermészet híveként - eltökélten hibát keresett a Fresnel-féle hullámelméletben, és úgy vélte, talált is. Ugyanis azt lehetett belőle levezetni, hogy ha egy párhuzamos fénynyaláb útjába átlátszatlan körlapot vagy golyót helyezünk, akkor a mögötte létrejövő árnyékfolt közepén (a kör szélén haladó hullámok erősítése miatt) egy pici fényes pontnak, egy apró, világítú foltnak kell lennie. Poisson azt állította, ez nylvánvalóan abszurd eredmény, úgyhogy az elmélet, melyből ez vezethető le, egyértelműen hibás.

A bizottság vezetője, Arago (a tudományos módszertannak megfelelően) úgy döntött, hogy a kérdést a tapasztalatnak, egy kísérletnek kell eldöntenie, ezért egy üveglapra $2\ \mathrm{mm}$ átmérőjű, kör alakú fémréteget vitt, és sikerült megfigyelnie az árnyékfolt közepére megjósolt pici, fényes foltot. Ez egy ún. perdöntő kísérlet volt, ettől kezdve a hullámelmélet kétkedői elhallgattak.

Manapság egy lézerrel, egy lupéval és egy vékony csőre (pl. tollbetét) helyezett kis csapágygolyóval bárki elvégezheti a kísérletet, jó sötét szobában a falon ilyen képet fog kapni:

Nemcsak az árnyék közepén lévő fényes pötty mutatja a fény interferenciáját, hanem a kör alakú akadály szélén jelentkező interferenciagyűrűk is, melyek felváltva erősítési és gyengítési irányokban jönnek létre. Egy precízeben kivitelezett képen ugyanez:

Ha a kísérlet során minden tökéletes lenne, azaz

  • a golyó tökéletes gömb alakúra lenne megmunkálva
  • nem lennének a felületén porszemek
  • felfüggesztés és alátámasztás nélkül, mozdulatlanul lebegne a fény útjában

akkor ilyen képet látnánk a mögötte lévő ernyőn:

Ha számítógéppel leszámoljuk a fény intenzitásviszonyait, akkor mivel az elrendezés forgásszimmetrikus, így csak a középponttól való távolságtól függ az ernyőn létrejövő intenzitás, a következő intenzitás-rugár függvényt kapjuk $r=4\ \mathrm{mm}$ sugarú akadályra:

A sors igazságtalansága, hogy a jelenséget gyakran nem a kísélet elvégezőjéről, hanem pont arról elnevezve hívják Poisson-foltnak, aki nem is hitt benne (angolul Poisson spot, Arago spot).